KR102528736B1

KR102528736B1 - 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더

Info

Publication number: KR102528736B1
Application number: KR1020220082609A
Authority: KR
Inventors: 엄재용
Original assignee: 엄재용
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2023-05-03

Abstract

본 발명은 유체의 사용량이 소량으로 이루어질 때 유체가 한 쌍의 유체헤더를 순환하면서 열교환되도록 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더에 관한 것으로, 상기 한 쌍의 유체헤더는 연통배관을 통해 서로 연통되되, 상기 지중열교환기와 복수개의 분기관을 통해 연결되며, 연통하는 상기 유체헤더 또는 지중열교환기로 유체를 순환시키는 공간을 갖는 하부케이스; 상기 하부케이스 상부로 배치되며, 내부에 배치된 축열블럭들에 의해 유동하는 유체가 열교환되도록 하는 열교환카세트; 및 상기 열교환카세트를 수용한 상태로 상기 하부케이스와 결합되며, 열교환카세트를 폐쇄시켜 내부로 상기 축열블럭들을 이용한 지그재그 유로가 형성되도록 하는 상부케이스;를 포함하고, 유체 사용이 사용범위 이하로 떨어질 때 유체를 지중열교환기로 순환시키지 않고 한 쌍의 유체헤더를 통해 순환되도록 함으로써, 유체가 내부의 축열블럭들을 통과하는 과정에서 설정된 온도로 열교환되도록 한다.

Description

지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더{A pair of fluid headers with a heat exchange function to reduce the load on the underground heat exchanger}

본 발명은 한 쌍의 유체헤더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉난방 부하의 사용량이 소량으로 이루어질 때 유체가 한 쌍의 유체헤더를 순환하면서 열교환되도록 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더에 관한 것이다.

일반적인 에너지원으로 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 이러한 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 무수히 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점이 있으며, 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

근래에는, 대체 에너지 개발에 대한 기술이 활발하게 진행되고 있으며, 그중 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구는 오래전부터 진행되고 있고, 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있다.

위 자연에너지 기술 중 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 지열 공조 시스템은, 17도 내지 18도의 온도를 연중 유지하는 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 지중에 지중열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

즉, 지열 공조 시스템은 지중열교환기와 히트펌프 사이에 설치된 한 쌍의 유체헤더와 환수관에 설치된 순환펌프를 구동시킴으로써, 유체헤더를 거쳐 각 사용처의 히트펌프로 열교환된 유체가 공급되도록 하고, 히트펌프를 거쳐 온도가 변환된 유체를 환수되도록 하여 유체의 순환이 이루어지도록 하는 것이다.

더욱이 지열 공조 시스템의 효율성이 높게 평가됨에 따라 그 시설규모가 대형화되고 있는 추세이며, 이에 맞춰 히트펌프의 개수도 함께 증가되는 추세이다.

그러나 최근의 지열 공조 시스템은 최소전력으로 구동하면서 적은 전력으로도 우수한 효율을 입증하는 COP인증(전기절감)을 받아야 한다.

일 예로, 건물의 심야 또는 휴일인 경우에는 상대적으로 냉난방 부하의 사용량이 적어 유체 사용량이 소량(통상 상시가동율의 50% 이하)으로 이루어지기 때문에, 이러한 경우에는 유체를 지중열교환기로 순환시키지 않고 별도로 마련된 축열탱크로 순환시켜 열교환시킴으로써 소량의 유체가 설정된 온도를 유지할 수 있도록 함과 동시에, 고용량의 순환펌프 대신 저용량의 순환펌프가 구동하기 때문에 소비되는 전력을 절감하게 된다.

그러나, 축열탱크에는 유체가 구 형상으로 내부에 젤 형태의 축열재(PCM)가 내장된 복수개의 축열볼들 사이를 지나가면서 열교환되기 때문에, 축열볼의 장기간 사용에 따른 노후화 및 강도 저하와 함께, 축열볼들이 수압에 의한 유체의 유동성에 의해 서로 충돌함에 따라 축열재가 새어나오는 치명적인 문제가 있다.

이렇게 되면, 새어나온 젤 형태의 축열재가 배관들을 타고 순환하면서 이물질을 걸러내는 스트레이너 또는 열교환기의 미세구멍을 막기 때문에 결국 시스템이 정지되는 치명적인 문제를 일으킨다.

또한, 축열탱크가 협소한 기계실에 구비되어야 함에 따라 장소의 제약이 많이 따르기 때문에 설계를 기피하는 경우가 많다.

국내등록특허 제10-0894297호

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 기술적 편견을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 한 쌍의 유체헤더 내부에 유로를 형성하고, 유로 상에 유체의 열교환을 위한 축열블럭을 설치함으로써, 유체 사용량이 소량으로 이루어질 때 한 쌍의 유체히터 만을 순환하면서 유체의 열교환이 이루어지도록 하는 지중열교환기의 부하를 경감시키는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더는, 동일한 구조로 지중열교환기와 각각 연결되며, 수요처를 냉난방시키는 히트펌프로 유체를 공급 및 환수하는 한 쌍의 유체헤더에 있어서, 상기 한 쌍의 유체헤더는 연통배관을 통해 서로 연통되되, 상기 지중열교환기와 복수개의 분기관을 통해 연결되며, 연통하는 상기 유체헤더 또는 지중열교환기로 유체를 순환시키는 공간을 갖는 하부케이스; 상기 하부케이스 상부로 배치되며, 내부에 배치된 축열블럭들에 의해 유동하는 유체가 열교환되도록 하는 열교환카세트; 및 상기 열교환카세트를 수용한 상태로 상기 하부케이스와 결합되며, 열교환카세트를 폐쇄시켜 내부로 상기 축열블럭들을 이용한 지그재그 유로가 형성되도록 하는 상부케이스;를 포함하고, 유체 사용이 사용범위 이하로 떨어질 때 유체를 지중열교환기로 순환시키지 않고 한 쌍의 유체헤더를 통해 순환되도록 함으로써, 유체가 내부의 축열블럭들을 통과하는 과정에서 설정된 온도로 열교환되도록 한다.

여기서, 상기 열교환카세트는, 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 인너케이스; 상기 인너케이스 내측에서 하측방향을 향하여 지그재그로 배치되며, 유체가 유동하는 유로를 형성하는 복수개의 지지플레이트; 및 상기 각 지지플레이트에 안착 고정되며, 유로를 유동하는 유체를 열교환시키는 복수개의 축열블럭;으로 구성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 축열블럭이 지지플레이트에 고정될 수 있도록, 상기 지지플레이트의 선단에는 스톱퍼가 형성되고, 상기 지지플레이트의 상면 또는 축열블럭의 하면 중 어느 일면에는 폭 방방을 가로지르는 위치고정돌기가 형성되며, 다른 일면에는 상기 위치고정돌기가 수용되는 위치고정홈이 형성된 것이 바람직하다.

이때, 상기 축열블럭 내부에는 축열재(PCM:Phase Change Material)가 충진되며, 유체가 통과할 때 열교환되도록 길이방향을 따라 복수개의 열교환터널이 형성되고, 상기 열교환터널들에는 유동하는 유체와의 접촉면적을 증대시킴으로써 열교환이 신속하게 이루어지도록 하는 열교환유닛이 삽입된 것이 바람직하다.

한편, 상기 열교환유닛은, 상기 열교환터널의 단면과 대응되게 절첩되어 내측으로 밀착되며, 유동하는 유체와 열교환되는 복수개의 절첩편으로 이루어진 금속재질의 열교환플레이트; 상기 각 절첩편 판면에 일정 간격으로 회동 가능하게 설치되며, 유동하는 유체와 열교환 되는 복수개의 열교환패널; 및 상기 열교환패널 양측에 고정되며, 유체의 유동방향에 따라 열교환패널의 회동을 탄성으로 지지하는 탄성부재;로 구성된 것이 바람직하다.

더하여, 상기 탄성부재는 박판의 판스프링으로서, 일측은 열교환패널에 고정되고, 타측은 절첩편과 접촉을 유지하며, 상기 타측 말단부에는 상기 열교환패널 회동시 회동하는 방향으로 탄성을 유지한 상태로 슬립이 이루어질 수 있도록 롤 형태로 말린 슬립편이 더 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 열교환패널의 양측 판면에는 유동하는 유체와 접촉되어 회동하는 열교환패널의 진동을 방지하기 위해 유체의 유동을 가이드하는 가이드골이 더 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부케이스의 개방된 상단에는 상기 열교환카세트가 안착되어 지지되는 안착가이드가 마주하게 배치된 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 연통배관에는 유체의 온도를 감지하는 온도계와 유체의 순환을 선택적으로 차단하는 자동조절밸브가 구비되며, 상기 자동조절밸브는 콘트롤러에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더에 의하면, 유체공급헤더와 유체환수헤더를 서로 연통시키고, 각 헤더 내부에 지그재그 유로를 형성하며, 유로 상에 축열재(PCM)가 내장된 복수개의 축열블럭을 설치하여 유체의 사용량이 50% 미만인 소량으로 이루어질 때 지중열교환기로의 순환을 차단하고, 유체가 유체공급헤더와 유체환수헤더를 순환하는 과정에서 열교환되도록 함으로써 종래와 같은 축열재의 누수를 원천적으로 방지하는 탁월한 효과가 있다.

또한, 유체 사용량이 소량일 경우, 유체공급헤더와 유체환수헤더를 순환하는 유체의 유동이 저용량의 순환펌프를 통해 이루어질 수 있기 때문에 전력이 절감되고, 더불어 유체의 유체공급헤더와 유체환수헤더 순환시 지중열교환기의 구동이 정지됨에 따라 지중열교환기의 부하가 경감되는 효과가 있다.

또한, 내부로 유체의 열교환을 위한 열교환카세트가 탈착 가능하게 구비된 유체공급헤더와 유체환수헤더가 기존의 장소에 그대로 설치되기 때문에, 종래와 같이 별도의 축열탱크가 필요치 않고 장소의 제약을 받지 않는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 한 쌍의 유체헤더가 지열 공조 시스템에 적용된 상태를 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명에 따른 유체헤더를 분해하여 나타낸 분해사시도이며,
도 3은 도 2의 결합된 한 쌍의 유체헤더의 요부단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 유체헤더의 구성 중 축열블럭과 열교환유닛을 분해한 분해사시도 이며,
도 5는 열교환유닛을 나타낸 사시도이고,
도 6은 축열블럭의 요부단면도이며,
도 7은 열교환유닛의 구성 중 열교환패널이 회동되는 상태를 나타낸 도 6의 'A'부 확대도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이 본 발명의 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더(10,20)는, 동일한 구조로 지중열교환기(F)와 각각 연결되며, 수요처를 냉난방시키는 히트펌프(E)로 유체를 공급 및 환수하는 한 쌍의 유체헤더(10,20)에 있어서, 상기 한 쌍의 유체헤더(10,20)는 연통배관(90)을 통해 서로 연통되되, 상기 지중열교환기(F)와 복수개의 분기관(32)을 통해 연결되며, 연통하는 상기 유체헤더(10,20) 또는 지중열교환기(F)로 유체를 순환시키는 공간을 갖는 하부케이스(30); 상기 하부케이스(30) 상부로 배치되며, 내부에 배치된 축열블럭(60)들에 의해 유동하는 유체가 열교환되도록 하는 열교환카세트(40); 및 상기 열교환카세트(40)를 수용한 상태로 상기 하부케이스(30)와 결합되며, 열교환카세트(40)를 폐쇄시켜 내부로 상기 축열블럭(60)들을 이용한 지그재그 유로(56)가 형성되도록 하는 상부케이스(80);를 포함하고, 유체 사용이 사용범위 이하로 떨어질 때 유체를 지중열교환기(F)로 순환시키지 않고 한 쌍의 유체헤더(10,20)를 통해 순환되도록 함으로써, 유체가 내부의 축열블럭(60)들을 통과하는 과정에서 설정된 온도로 열교환되도록 한다.

설명에 앞서, 본 발명의 가장 큰 특징은 심야 또는 휴일 등과 같이 유체의 사용이 소량으로 이루어질 때 유체를 지중열교환기로 순환시키지 않고, 축열블럭이 내부에 각각 배치된 한 쌍의 유체헤더로 순환시켜 열교환 되도록 하는 것에 있다.

본 발명의 한 쌍의 유체헤더(10,20)는 도 1에 도시된 바와 같이 지열 공조 시스템에 적용된다.

한 쌍의 유체헤더(10,20)는 지중에 매설된 복수개의 지중열교환기(F)와 수요처의 히트펌프(E) 사이에 배치되며, 순환펌프를 이용하여 지중열교환기(F)를 순환하면서 열교환된 유체를 수요처의 히트펌프(E)로 공급하고, 히트펌프(E)를 순환한 유체를 환수하여 지중열교환기(F)로 공급하는 역할을 한다.

이때, 한 쌍의 유체헤더(10,20)는 히트펌프(E)로 유체의 공급 또는 환수가 이루어질 수 있도록 동일한 구조를 갖는 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)로 구분되며, 도 1에 도시된 바와 같이 도면상 우측에 유체공급헤더(10)가 배치되어 지중열교환기(F)로부터 열교환된 유체를 공급받아 히트펌프(E)로 공급하고, 도면상 좌측에는 유체환수헤더(20)가 배치되어 히트펌프(E)를 순환한 유체를 환수하여 지중열교환기(F)로 환수시킨다.

위와 같은 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)는 연통배관(90)을 이용하여 서로 연통된 상태를 이루고 있는데, 이는 유체의 사용이 소량으로 이루어질 때 유체의 열교환이 지중열교환기(F)를 순환하지 않고 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)의 순환을 통해 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

더하여, 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)를 연통되게 연결하는 연통배관(90)에는 순환하는 유체의 온도를 실시간으로 감지하는 온도계(H) 또는 감지센서가 구비될 수 있으며, 유체의 온도변화에 따라 유체의 순환을 선택적으로 차단하는 자동조절밸브(D)가 구비될 수 있다.

여기서, 온도계(H)와 자동조절밸브(D)의 개폐는 콘트롤러에 의해 제어됨은 물론이다.

유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20) 내부에는 순환하는 유체를 열교환시키기 위한 구조가 구비되며, 이하에서는 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)가 동일한 구조임에 설명의 혼돈을 방지하기 위해 '유체헤더(10,20)'로만 설명하기로 한다.

유체헤더(10,20)는 하부케이스(30)와, 열교환카세트(40) 및 상부케이스(80)를 포함하며, 유체의 사용이 설정된 사용범위(통상 상시가동율의 50%) 이하로 떨어질 때 지열 공조 시스템을 순환하는 유체를 지중열교환기(F)로 순환시키지 않고 한 쌍의 유체헤더(10,20)(유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20))를 통해 순환되도록 함으로써, 순환하는 유체가 후술하는 축열블럭(60)들을 통과하는 과정에서 콘트롤러(미 도시)에 기 설정된 설정온도로 열교환될 수 있도록 한다.

하부케이스(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전체적으로 사각형태를 유지하고 있으며, 내측으로는 일측으로 연통되게 배치된 다른 유체헤더(10,20) 또는 지중에 매설된 지중열교환기(F)로 유체를 순환시키기 위해 유체가 집수되는 공간을 형성하고 있다.

하부케이스(30)의 하부에는 내부의 공간과 연통하는 복수개의 분기관(32)들이 설치되어 있으며, 각 분기관(32)들은 지중의 지중열교환기(F)들과 각각 연결됨으로써, 유체가 지중의 열교환을 필요로 할 때 지중열교환기(F)를 거치는 순환이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 하부케이스(30)의 측부에는 일측에 배치된 유체헤더의 하부케이스(30)와 연통되는 연통배관(90)이 설치되어 있다.

또한, 도 2와 같이 하부케이스(30)의 개방된 상단에는 후술하는 열교환카세트(40)의 인너케이스(51) 하단이 안착되어 지지되는 안착가이드(31)가 마주하게 배치될 수도 있다.

안착가이드(31)는 하부케이스(30)의 내측으로 인너케이스(51)의 두께 폭 만큼 절곡된 상태로 도면상 상측방향으로 돌출되게 형성되며, 인너케이스(51)를 안착시켜 하부케이스(30)의 상부에 지지되게 함으로써, 후술하는 상부케이스(80)가 하부케이스(30)에 결합될 때 인너케이스(51)의 직립된 상태가 셋팅될 수 있도록 한다.

열교환카세트(40)는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 하부케이스(30)의 상부로 배치되며, 내부로 배치된 복수개의 축열블럭(60)에 의해 유체헤더(10,20)를 유동하는 유체의 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 인너케이스(51)와, 지지플레이트(53) 및 축열블럭(60)을 포함한다.

인너케이스(51)는 도 2와 같이 도면상 상측을 제외한 좌측,우측 및 하측이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 절곡되어 있다.

더하여, 인너케이스(51)의 상면에는 후술하는 상부케이스(80)의 환수관(B) 또는 공급관(C)이 인너케이스(51) 내부로 연통할 수 있도록 연통홀(51a)이 형성되어 있다.

지지플레이트(53)는 인너케이스(51) 내부를 유동하는 유체가 인너케이스(51)의 도면상 하측방향을 향하여 지그재그로 유동될 수 있도록 인너케이스(51) 내부에 유로(56)를 형성하는 것으로, 도 2 및 도 3과 같이 소정의 넓이를 갖는 판상의 지지플레이트(53)가 인너케이스(51) 내측에서 하측방향을 향하여 이격되게 배치된다.

즉, 지지플레이트(53)의 길이방향 일측(도면상 우측) 및 타측(도면상 좌측)이 도 3과 같이 인너케이스(51)의 개방된 좌우 양측에 하측을 향하여 순번적으로 일치되면서 이격되게 배치된 것이며, 위와 같은 지지플레이트(53)의 배치에 의해 인너케이스(51) 내부에 지그재그 형태의 유로(56)가 형성되는 것이다.

이때, 지지플레이트(53)의 이격 거리는 후술하는 축열블럭(60)의 높이와 대응되것이 바람직한데, 이는 축열블럭(60)이 지지플레이트(53) 사이의 유로(56)로 도 2와 같이 삽입될 때 상하유동이 방지되도록 함으로써, 축열블럭(60)의 안정적인 결합상태가 유지될 수 있도록 하기 위함이다.

축열블럭(60)은 지지플레이트(53)에 의해 형성된 유로(56)로 유체가 유동할 때 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 사각 박스형태를 유지한 상태로 3개가 지그재그 유로(56)의 각 지지플레이트(53)에 각각 안착 고정된다.

즉, 축열블럭(60)은 도 3과 같이 유로(56)를 형성하는 각 지지플레이트(53) 사이로 삽입된 상태에서 화살표와 같이 유동하는 유체를 통과시키면서 열교환시키는 것이다.

이를 위해, 축열블럭(60) 내부에는 유체의 열교환을 위한 젤 형태의 축열재(PCM:Phase Change Material)가 충진되며, 축열재는 유동성을 가짐에 따라 열교환에 의한 팽창 공간이 확보될 수 있도록 축열블럭(60) 내부에 90%로 미만으로 충진되는 것이 바람직하다.

또한, 축열블럭(60)에는 유로(56)를 유동하는 유체가 통과하는 과정에서 열교환될 수 있도록 축열블럭(60)의 길이방향을 따라 사각 형상을 갖는 복수개의 열교환터널(61)이 형성되고, 상기 복수개의 열교환터널(61) 내부에는 유동하는 유체와의 접촉면적을 증대시킴으로써 열교환이 신속하게 이루어지도록 하는 열교환유닛(70)이 삽입된다.

본 실시예에서는 축열블럭(60)의 형상이 사각인 것으로 도시하고 있으나, 원형, 타원형 및 다각으로 형성될 수 있음에 따라 그 형상을 한정하지 않는다.

한편, 축열블럭(60)이 지지플레이트(53)에 안착 고정될 수 있도록, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 축열블럭(60)이 삽입되는 방향의 지지플레이트(53) 선단에는 절곡되게 형성되어 축열블럭(60)의 진행을 정지시키는 스톱퍼(54)가 형성된다.

또한, 지지플레이트(53)의 상면 적소에는 폭 방향을 가로지르면서 돌출된 위치고정돌기(55)가 형성되고, 축열블럭(60)의 하면에는 위치고정돌기(55)와 대응하는 형상으로 위치고정돌기(55)를 수용하는 위치고정홈(62)이 형성된다.

위와 같은 스톱퍼(54), 위치고정돌기(55) 및 위치고정홈(62)은 축열블럭(60)이 지지플레이트(53) 사이로 삽입될 때, 삽입시에는 장애요소로 작용하지 않으면서 삽입이 완료된 상태에서는 도 3과 같이 축열블럭(60)의 선단과 후단이 각각 지지플레이트(53) 상에 고정될 수 있도록 함으로써, 유체의 유동 압력에 따른 축열블럭(60)의 설치상태를 안정적으로 유지시킨다.

또한, 축열블럭(60)의 유지보수 및 교체를 위해 지지플레이트(53)로부터 분리하고자 하는 경우에는, 지지플레이트(53)를 살짝 누른 상태에서 삽입 반대방향으로 인출하면 손쉽게 분리가 가능하다.

즉, 스톱퍼(54), 위치고정돌기(55) 및 위치고정홈(62)은 축열블럭(60)의 고정 및 해제가 쉽게 이루어지도록 한다.

본 실시예에서는 위치고정돌기(55)가 지지플레이트(53)에 형성되고, 축열블럭(60)의 하면에 위치고정홈(62)이 형성된 것으로 도시하고 있으나, 서로 결합될 수 있는 구조라면 위치 및 형상은 한정하지 않는다.

열교환유닛(70)은, 열교환터널(61)을 통과하는 동일한 양의 유체 대비 접촉면적을 증대시킴으로써 보다 많은 열교환이 신속하게 이루어지도록 하여 유체의 열교환 효율이 상승될 수 있도록 한다.

열교환유닛(70)은 도 4 내지 도 7과 같이 열교환플레이트(71)와, 열교환패널(73) 및 탄성부재(74)를 포함한다.

설명에 앞서, 열교환유닛(70)의 열교환플레이트(71), 열교환패널(73) 및 탄성부재(74)는 축열블럭(60)과의 열전도를 통해 유체와의 열교환이 이루어지기 때문에 열전도율이 우수한 은, 구리, 백금 알루미늄, 아연, 니켈 등 어느 하나가 선택되어 사용될 수 있음은 물론이다.

따라서, 열교환플레이트(71), 열교환패널(73) 및 탄성부재(74)는 축열블럭(60)와 상시적으로 열전도가 진행되고 있는 상태이다.

열교환플레이트(71)는 열교환터널(61)의 단면과 대응되게 사각으로 절첩되어 열교환터널(61)의 내측으로 밀착되는 것으로, 축열블럭(60)과 열전도되는 금속재질로써 판상의 형태로 소정의 길이를 갖는 4개의 절첩편(72)으로 이루어진다.

열교환플레이트(71)에는 절첩편(72)들의 절첩이 용이하게 이루어질 수 있도록 절첩라인(70a)이 형성되어 있다.

본 실시예에서는 열교환플레이트(71)가 열교환터널(61)의 형상과 같이 사각으로 절첩되는 것으로 도시하고 있으나, 열교환터널(61)이 다각 또는 원형이라면 열교환플레이트(71)가 대응되게 절첩될 수 있기 때문에 절첩편(72)의 개수 및 절첩 형상은 한정하지 않는다.

열교환패널(73)은 도 5와 같이 복수개가 각 절첩편(72)의 판면에 일정간격으로 회동 가능하게 설치되며, 열교환터널(61)을 유동하는 유체와 직접적으로 열교환될 수 있도록 소정의 넓이를 갖는 판상으로 형성되어 있다.

열교환패널(73)은 4개의 절첩편(72) 판면에 한칸 건너 일정간격으로 회동가능하게 배치됨으로써, 4개의 절첩편(72)이 사각으로 절첩된 상태에서는 도 6과 같이 열교환플레이트(71)의 내측에서 도면상 상측과 하측을 향하도록 배치된다.

즉, 복수개의 열교환패널(73)이 절첩된 열교환플레이트(71) 내측에 길이방향을 따라 서로 반대하는 방향으로 회동 가능하게 배치된 것이다.

더하여, 열교환패널(73)이 회동되는 구조를 갖도록 하는 이유는, 열교환패널(73)이 절첩된 열교환플레이트(71) 상에 수직하게 배치될 경우 접촉면적은 증가될 수 있지만, 상대적으로 유체의 흐름을 방해하기 때문에, 도 7과 같이 소정의 각도로 회동되는 구조를 적용함으로써 유체와의 접촉면적 증가 및 유체의 흐름을 방해하지 않도록 하기 위함이다.

이에, 열교환패널(73)의 회동은 도 5의 확대도 및 도 7과 같이 열교환패널(73)의 하단이 절첩편(72)에 형성된 회동편(72a)에 회동핀(P)을 통해 결합됨에 따라 이루어지게 된다.

탄성부재(74)는 유체의 유동방향에 따라 열교환패널(73)의 회동을 탄성적으로 지지하는 것으로, 열교환패널(73)의 양측에 고정된다.

여기서, 탄성부재(74)는 도 5에 도시된 바와 같이 박판의 판스프링으로서, 일측은 열교환패널(73)에 고정되고, 타측은 열교환플레이트(71)이 절첩편(72)과 접촉된 상태를 유지한다.

이때, 탄성부재(74)의 타측 말단부에는 열교환패널(73) 회동시 회동하는 방향으로 탄성을 유지시킨 상태로 절첩편(72) 상에서 슬립이 이루어질 수 있도록 롤 형태로 말린 슬립편(74a)이 더 형성될 수 있다.

즉, 탄성부재(74)는 열교환패널(73)이 유동하는 유체에 의해 도 7의 확대도와 어느 일방향으로 회동될 때, 회동방향의 탄성부재(74)가 슬립되면서 열교환패널(73)을 탄성지지토록 함으로써, 열교환패널(73)이 더 이상 회동되는 것을 원천적으로 차단한다.

더하여, 도 7의(a),(b)에 도시된 바와 같이, 열교환패널(73)이 도면상 좌측과 우측방향으로 각각 회동될 때 탄성 지지되는 구조를 갖는 것은, 열교환유닛(70)이 축열블럭(60)의 열교환터널(61)에 어느 방향으로 삽입되더라도 회동되는 구조를 가질 수 있도록 하기 위함이며, 무엇보다도 한 쌍의 유체헤더(10,20)를 통해 유체의 열교환이 이루어질 때 각 유체헤더(10,20)를 순환하는 유체의 방향성이 달라지기 때문이다.

즉, 도 1을 참조하여 상세히 설명하면, 환수관(B)을 통해 환수되는 유체는 도면상 좌측의 유체환수헤더(20)를 일차 순환하면서 열교환되고, 열교환 유체가 연통배관(90)을 통해 도면상 우측의 유체공급헤더(10)의 하측으로 공급되며, 유체공급헤더(10)로 공급된 유체는 내부를 순환하면서 이차로 열교환되어 공급관(C)을 통해 각 히트펌프(E)로 공급되기 때문에, 유체가 유체환수헤더(20)에서는 도면상 상측에서 하측으로 유동하고 유체공급헤더(10)에서는 하측에서 상측으로 유동하기 때문에 유체의 방향성이 달라지더라도 열교환패널(73)을 통한 열교환이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 열교환패널(73)은 탄성부재(74)에 의해 소정의 각도로만 회동되기 때문에 유체의 유속을 떨어트려 유체와의 접촉면적을 증대시킴으로써 열교환 효율을 상승시킨다.

한편, 열교환패널(73)의 양측 판면에는 도 5에 도시된 바와 같이 유동하는 유체와 접촉됨으로써 회동하는 열교환패널(73)의 진동(떨림)을 방지하기 위해 유체의 유동을 가이드하는 가이드골(73a)이 더 형성될 수도 있다.

즉, 유동하는 유체가 복수개의 가이드골(73a) 사이로 진입한 상태에서 도 7에 도시된 화살표와 같이 가이드골(73a)과 접촉을 이루면서 열교환패널(73)을 지나도록 함으로써, 유체의 접촉이 어느 일방향으로의 쏠림 없이 열교환패널(73) 표면 전체에서 이루어지도록 하기 때문에 열교환패널(73)의 진동과 이에 따른 소음이 발생되는 것을 차단하게 된다.

위와 같은 열교환유닛(70)은, 절첩된 열교환플레이트(71) 내부로 복수개의 열교환패널(73)을 구비함으로써, 유체가 유동 과정에서 열교환패널(73)들과 계속적으로 접촉됨에 따라 열교환이 신속하게 이루어지도록 한다.

상부케이스(80)는 하부케이스(30)와 대응하는 사각의 형태로 내부에 공간을 가는 소정의 높이를 유지하고 있으며, 열교환카세트(40)를 내부로 수용한 상태로 하부케이스(30)와 결합된다.

즉, 상부케이스(80)는 도 3에 도시된 바와 같이 열교환카세트(40)를 내부로 수용하면서 인너케이스(51)의 개방된 도면상 좌우측을 폐쇄함으로써, 인너케이스(51) 내부로 축열블럭(60)들이 배치된 하측으로 향하는 지그재그 유로(56)가 형성될 수 있도록 한다.

여기서, 상부케이스(80)는 하부케이스(30)와 결합될 때 볼트와 너트(미 도시)를 통해 결합되는 것은 물론이며, 결합부위 사이로는 도시하지 않았지만 유체의 누수를 방지하기 위한 실링부재가 개재됨은 물론이다.

또한, 상부케이스(80)의 상부측에는 유체가 환수 또는 공급되는 환수관(B) 또는 공급관(C)이 설치된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더(10,20)를 이용하여 유체가 열교환되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

설명에 앞서, 한 쌍의 유체헤더(10,20)는 설명의 혼돈을 방지하기 위해 각각 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)로 설명하며, 수요처의 냉방을 위한 유체의 순환으로 설명하기로 한다.

유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 지중에 매설된 복수개의 지중열교환기(F)와 수요처의 히트펌프(E) 사이에 배치되며, 순환펌프를 이용하여 지중열교환기(F)를 순환하면서 열교환된 저온유체를 화살표와 같이 유체공급헤더(10)의 공급관(C)을 통해 수요처의 각 히트펌프(E)로 공급되도록 한다.

그리고, 각 히트펌프(E)를 거친 고온유체는 환수관(B)에 의해 유체환수헤더(20)을 거쳐 지중열교환기(F)를 순환하면서 저온유체로 열교환되어 유체공급헤더(10)로 공급된다.

위와 같은 유체의 순환 싸이클은 히트펌프(E)의 사용량이 설정범위(50% 이상) 이상일 경우 계속적으로 이루어진다.

더하여, 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)의 열교환카세트(40)는 순환하는 유체와 계속적으로 열교환하는 상태이다.

그러나, 히트펌프(E)의 사용량이 설정범위 이하로 떨어지면, 즉 심야 또는 휴일 등과 같이 유체 사용이 소량(50% 이하)으로 줄어들면, 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)의 분기관(32)들에 배치된 자동조절밸브(D)들이 콘트롤러의 제어에 의해 OFF되면서 유체의 순환을 차단하게 된다.

동시에, 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)를 연결하는 연통배관(90)의 자동조절밸브(D)는 ON되면서 지중열교환기(F)를 향하던 유체는 유체공급헤더(10)와 유체환수헤더(20)를 통해 순환하게 된다.

이때, 유체는 유체환수헤더(20)와 유체공급헤더(10)를 순차적으로 순환하는 과정에서 저온유체로 열교환되어 공급관(C)을 통해 각 히트펌프(E)로 공급된다.

여기서, 순환펌프는 유체 사용이 소량으로 줄어든 상태로 순환하기 때문에 콘트롤러의 제어에 의해 고용량(예:18kw) 순환펌프에서 저용량(예:5kw) 순환펌프로 전환됨은 물로이고, 본 발명이 적용된 지열 공조 시스템에서는 유체의 사용량에 따라 전환될 수 있도록 고용량과 저용량 순환펌프가 구비됨은 당연하다.

먼저, 유체환수헤더(20)로 환수된 유체는 도 3의 화살표방향과 같이 도면상 하측방향으로 지그재그로 유동하게 되고, 이 과정에서 유로(56)에 설치된 축열블럭(60)의 열교환유닛(70)들을 순차적으로 통과하면서 유체환수헤더(20)에서 일차 열교환된다.

열교환유닛(70)을 통과하는 유체는 유동하는 과정에서 복수개의 열교환패널(73)과 계속적으로 접촉되면서 열교환된다.

이때, 열교환패널(73)은 유체의 유동 압력에 의해 도 7의(a)와 같이 유체가 진행하는 방향으로 회동하게 되고, 유체는 이 과정에서 열교환패널(73)의 무수한 가이드골(73a)과 접촉면적을 넓히면서 가이드골(73a)을 타고 화살표방향과 같이 유동하게 된다.

그리고, 유체는 열교환패널(73)에 의해 유속이 떨어지기 때문에 보다 많은 열교환을 이루게 된다.

유체환수헤더(20)의 유로(56)를 통과한 유체는 하부케이스(30) 내부로 유입되면서 연통배관(90)을 통해 도면상 우측의 유체공급헤더(10)로 유동하게 된다.

유체공급헤더(10)로 유입된 유체는 하부케이스(30)를 거쳐 도 3에 도시된 화살표방향과 같이 지그재그 유로(56)로 진입하여 도면상 상측방향으로 유동하면서 이차 열교환이 이루어지게 된다.

이때, 유체공급헤더(10)의 열교환패널(73)은 유체의 진행방향이 유체환수헤더(20)와 반대방향이기 때문에 도 7의(b)와 같이 회동하게 된다.

이하, 유체공급헤더(10)에서의 열교환 방식은 유체환수헤더(20)와 동일하기 때문에 설명은 생략하기로 한다.

이후, 유체공급헤더(10)를 통과하면서 이차로 열교환된 공급관(C)을 통해 각 수요처의 히트펌프(E)로 순환하게 된다.

한편, 히트펌프(E) 사용 증가로 환수되는 유체의 온도가 설정온도를 벗어나 유체환수헤더(20)와 유체공급헤더(10)의 열교환 만으로 열교환이 어려워지면, 콘트롤러는 연통배관(90)의 자동조절밸브(D)를 OFF시키고 분기관(32)들의 자동조절밸브(D)는 ON시킴으로써, 도 3에 도시된 바와 같이 유체환수헤더(20)를 통과한 유체가 분기관(32)(점선 화살표)을 통해 지중열교환기(F)로 향하도록 하고, 지중열교환기(F)를 통해 열교환된 유체가 유체공급헤더(10)의 분기관(32)(점선 화살표)을 통해 공급이 이루어지도록 한다.

지금까지 서술된 바와 같이 본 발명의 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더는, 유체공급헤더와 유체환수헤더를 서로 연통시키고, 각 헤더 내부에 지그재그 유로를 형성하며, 유로 상에 축열재(PCM)가 내장된 복수개의 축열블럭을 설치하여 유체의 사용량이 50% 미만인 소량으로 이루어질 때 지중열교환기로의 순환을 차단하고, 유체가 유체공급헤더와 유체환수헤더를 순환하는 과정에서 열교환되도록 함으로써 종래와 같은 축열재의 누수를 원천적으로 방지하는 탁월한 효과가 있다.

이상, 본 발명의 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더를 바람직한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 설명하였으나, 이는 발명의 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아님은 물론이다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

10,20 : 유체헤더(10:유체환수헤더, 20:유체공급헤더)
30 : 하부케이스 31 : 안착가이드
32 : 분기관 40 : 열교환카세트
51 : 인너케이스 51a : 연통홀
53 : 지지플레이트 54 : 스톱퍼
55 : 위치고정돌기 56 : 유로
60 : 축열블럭 61 : 열교환터널
62 : 위치고정홈 70 : 열교환유닛
70a : 절첩라인(70a) 71 : 열교환플레이트
72 : 절첩편 72a : 회동편
73 : 열교환패널 73a : 가이드골
74 : 탄성부재 74a : 슬립편
80 : 상부케이스 81 : 연통홀
90 : 연통배관
B : 환수관 C : 공급관
D : 자동조절밸브 E : 히트펌프
F : 지중열교환기 G : 순환펌프
H : 온도계 P : 회동핀

Claims

동일한 구조로 지중열교환기(F)와 각각 연결되며, 수요처를 냉난방시키는 히트펌프(E)로 유체를 공급 및 환수하는 한 쌍의 유체헤더(10,20)에 있어서,
상기 한 쌍의 유체헤더(10,20)는 연통배관(90)을 통해 서로 연통되되,
상기 지중열교환기(F)와 복수개의 분기관(32)을 통해 연결되며, 연통하는 상기 유체헤더(10,20) 또는 지중열교환기(F)로 유체를 순환시키는 공간을 갖는 하부케이스(30);
상기 하부케이스(30) 상부로 배치되며, 내부에 배치된 축열블럭(60)들에 의해 유동하는 유체가 열교환되도록 하는 열교환카세트(40); 및
상기 열교환카세트(40)를 수용한 상태로 상기 하부케이스(30)와 결합되며, 열교환카세트(40)를 폐쇄시켜 내부로 상기 축열블럭(60)들을 이용한 지그재그 유로(56)가 형성되도록 하는 상부케이스(80);를 포함하고,
유체 사용이 사용범위 이하로 떨어질 때 유체를 지중열교환기(F)로 순환시키지 않고 한 쌍의 유체헤더(10,20)를 통해 순환되도록 함으로써, 유체가 내부의 축열블럭(60)들을 통과하는 과정에서 설정된 온도로 열교환되도록 하며,
상기 열교환카세트(40)는, 'ㄷ'자 형상으로 절곡된 인너케이스(51); 상기 인너케이스(51) 내측에서 하측방향을 향하여 지그재그로 배치되며, 유체가 유동하는 유로(56)를 형성하는 복수개의 지지플레이트(53); 및 상기 각 지지플레이트(53)에 안착 고정되며, 유로(56)를 유동하는 유체를 열교환시키는 복수개의 축열블럭(60);으로 구성되고,
상기 축열블럭(60)이 지지플레이트(53)에 고정될 수 있도록, 상기 지지플레이트(53)의 선단에는 스톱퍼(54)가 형성되고, 상기 지지플레이트(53)의 상면 또는 축열블럭(60)의 하면 중 어느 일면에는 폭 방방을 가로지르는 위치고정돌기(55)가 형성되며, 다른 일면에는 상기 위치고정돌기(55)가 수용되는 위치고정홈(62)이 형성된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
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제1항에 있어서,
상기 축열블럭(60) 내부에는 축열재(PCM:Phase Change Material)가 충진되며, 유체가 통과할 때 열교환되도록 길이방향을 따라 복수개의 열교환터널(61)이 형성되고,
상기 열교환터널(61)들에는 유동하는 유체와의 접촉면적을 증대시킴으로써 열교환이 신속하게 이루어지도록 하는 열교환유닛(70)이 삽입된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
제4항에 있어서,
상기 열교환유닛(70)은,
상기 열교환터널(61)의 단면과 대응되게 절첩되어 내측으로 밀착되며, 유동하는 유체와 열교환되는 복수개의 절첩편(72)으로 이루어진 금속재질의 열교환플레이트(71);
상기 각 절첩편(72) 판면에 일정 간격으로 회동 가능하게 설치되며, 유동하는 유체와 열교환 되는 복수개의 열교환패널(73); 및
상기 열교환패널(73) 양측에 고정되며, 유체의 유동방향에 따라 열교환패널(73)의 회동을 탄성으로 지지하는 탄성부재(74);로 구성된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
제5항에 있어서,
상기 탄성부재(74)는 박판의 판스프링으로서, 일측은 열교환패널(73)에 고정되고, 타측은 절첩편(72)과 접촉을 유지하며,
상기 타측 말단부에는 상기 열교환패널(73) 회동시 회동하는 방향으로 탄성을 유지한 상태로 슬립이 이루어질 수 있도록 롤 형태로 말린 슬립편(74a)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
제5항에 있어서,
상기 열교환패널(73)의 양측 판면에는 유동하는 유체와 접촉되어 회동하는 열교환패널(73)의 진동을 방지하기 위해 유체의 유동을 가이드하는 가이드골(73a)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
제1항에 있어서,
상기 하부케이스(30)의 개방된 상단에는 상기 열교환카세트(40)가 안착되어 지지되는 안착가이드(31)가 마주하게 배치된 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.
제1항에 있어서,
상기 연통배관(90)에는 유체의 온도를 감지하는 온도계(H)와 유체의 순환을 선택적으로 차단하는 자동조절밸브(D)가 구비되며, 상기 자동조절밸브(D)는 콘트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 지중열교환기 부하를 경감하는 열교환 기능을 갖는 한 쌍의 유체헤더.